11. Koloidní roztoky makromolekul Vysokomolekulární látky se ve vhodném rozpouštědle mohou samovolně rozpouštět za vzniku termodynamicky stálých pravých roztoků, jejichž částice koloidních rozměrů jsou tvořeny jednotlivými molekulami velkých rozměrů makromolekulami. Jsou to tedy útvary vázané chemickými valenčními silami. Tyto tzv. lyofilní koloidy mají mnoho podobných vlastností jako lyofobní soly (odst. 9.3), např. vykazují některé kinetické a optické vlastnosti typické pro koloidní systémy, ale mnoha vlastnostmi se od nich liší - např. nemají specifický povrch, neboť molekula nemá povrch v obvyklém slova smyslu. 11.1 Něco o makromolekulách Rozměry makromolekul jsou ve srovnání s běžnými molekulami značné (např. molekula ethanu má délku několik desetin nm, lineární molekuly kaučuku a celulózy 400 až 800 nm) a jejich molární hmotnost bývá alespoň 10 až 15 kg/mol. Hranice mezi malými molekulami a makromolekulami je však do jisté míry libovolná. Např. Staudinger pokládá látky s molekulami menšími než 2,5 nm za nízkomolekulární; za oblast pravých makromolekul považuje u lineárních polymerů molekuly s řetězcem délky od 125 nm. V důsledku velké molární hmotnosti jsou tyto látky netěkavé a nelze je destilovat. Většina z nich při zvyšování teploty postupně měkne a nemá určitou teplotu tání. Rozkládají se při teplotě nižší než bod varu. Vlastnosti vysokomolekulárních látek závisejí nejen na rozměrech, ale i na tvaru a struktuře molekul. Podle tvaru makromolekul jsou vysokomolekulární látky rozdělovány do několika skupin, mezi nimiž jsou možné různé přechodné typy: lineární polymery, větvené polymery, nekonečné síťovité struktury nebo globulární (korpuskulární) makromolekuly. Koloidní roztoky mohou tvořit pouze lineární polymery a z trojrozměrných ty, které mají molekuly omezených rozměrů globulární makromolekuly. Trojrozměrné síťovité molekuly bez prostorového omezení nemohou samovolným rozpouštěním přejít na samostatné disperzní částice koloidních rozměrů; může však do nich pronikat kapalina při zachování spojitosti struktury. O tom, v kterém rozpouštědle se vysokomolekulární sloučenina rozpouští, rozhoduje polarita: sloučeniny se silně polárními skupinami se rozpouštějí ve vodě nebo ve vodných roztocích elektrolytů, nepolární sloučeniny se rozpouštějí v nepolárních rozpouštědlech. Vysokomolekulární látky mohou být jak anorganické (např. amorfní síra, selen, křemičitany, slída, grafit, diamant, křemík) tak organické. Organické mohou být přírodní (bílkoviny, vyšší polysacharidy, přírodní kaučuk a pryskyřice), deriváty přírodních vysokomolekulárních látek (deriváty celulózy, bílkovin, kaučuku) i syntetické (polymerační produkty). Chování makromolekul v roztocích záleží na tom, zda makromolekula obsahuje či neobsahuje skupiny schopné elektrolytické disociace, tj. zda jde o elektrolyt či neelektrolyt. 11.2 Roztoky vysokomolekulárních neelektrolytů Vlivem tepelného pohybu jednotlivých částí (segmentů) nebo působením vnějších sil (např. střižného napětí vyvolaného rychlostním gradientem v tekoucím roztoku) může molekula lineárního polymeru v roztoku měnit svůj tvar. Je to umožněno otáčivostí členů uhlíkového řetězce kolem spojnic se sousedními uhlíky (intramolekulární rotace, obr. 11.1). Vedle translačního a rotačního pohybu celých molekul a vedle vibrace jejich částí představuje toto otáčení další stupeň volnosti tepelného pohybu. Neuspořádaný útvar, který tímto pohybem vzniká, se nazývá makromolekulární klubko. Obr. 11.1 Intramolekulární rotace Ve zředěných roztocích jsou makromolekuly od sebe dostatečně vzdálené, takže každé makromolekulární klubko je obklopeno jen molekulami rozpouštědla. Stupeň svinutí makromolekulárního klubka v roztoku závisí na afinitě segmentu makromolekulárního řetězce 11-1
k rozpouštědlu, která je výsledkem tří dílčích interakcí: interakcí polymer polymer, polymer rozpouštědlo a interakcí mezi molekulami rozpouštědla. V tzv. dobrých rozpouštědlech se makromolekula snaží vystavit působení rozpouštědla co nejvíce svých částí. Střední vzdálenost konců a tedy i objem klubka se zvětšuje, proniká do něj další rozpouštědlo klubko botná. Ve špatných rozpouštědlech je klubko více svinuté, protože dochází spíše k vytváření kontaktů mezi jednotlivými segmenty makromolekuly než k jejich styku s molekulami rozpouštědla. Rozpouštědla, v nichž jsou vzájemné interakce vyrovnané, se nazývají indiferentní neboli theta-rozpouštědla (řetězce makromolekul se chovají, jako kdyby byly tvořeny pouze hmotnými body - při náhodném setkání si navzájem nepřekážejí ani spolu neinteragují). Takového chování se dosáhne jen za určitých podmínek. Kvalita rozpouštědla se mění s teplotou theta podmínky pro danou dvojici polymer-rozpouštědlo existují při jediné teplotě, tzv. theta-teplotě. Při vyšších teplotách se klubko rozvine, pod touto teplotou klubko svůj objem zmenšuje. V koncentrovanějších roztocích přichází mnoho článků řetězce do styku s články jiných vysokomolekulárních řetězců přítomných v roztoku. Jednotlivé řetězce jsou pak propleteny a počet kontaktů mezi segmenty různých makromolekul roste s koncentrací. Po dosažení kritické (často malé) koncentrace polymeru z nich mohou vznikat reverzibilní gely (viz kap. 12). Obr. 11.2 Struktura různě koncentrovaných roztoků polymerů. Čárkovaná čára značí hranici domény klubka; mezery mezi řetězci jsou vyplněny molekulami rozpouštědla. 11.3 Roztoky vysokomolekulárních elektrolytů (polyelektrolytů) Makromolekuly, které obsahují skupiny schopné disociace, jsou označovány jako vysokomolekulární elektrolyty nebo polyelektrolyty. Polyelektrolyty mohou obsahovat jen kyselé skupiny (např. COO, OSO 3 ) nebo jen zásadité skupiny, např. NH + 3 (jsou málo četné) a amfoterní polyelektrolyty (např. bílkoviny) obsahují v postranních řetězcích jak zásadité, tak kyselé skupiny. Zatímco silně kyselé skupiny disociují prakticky úplně, jsou slabě kyselé a slabě zásadité skupiny disociovány pouze do určitého stupně. Poměry v téže molekule jsou však složité, neboť dvě stejné skupiny v jedné molekule mohou mít různou hodnotu disociační konstanty, má-li jejich nejbližší okolí v řetězci různou chemickou strukturu (např. náleží-li ke dvěma různým zbytkům v molekule bílkoviny). Kromě toho, nejsou-li dvě skupiny v téže molekule dostatečně vzdáleny, mohou navzájem ovlivňovat velikost svých disociačních konstant. Lineární makromolekuly, které obsahují pouze náboje stejného znaménka, se jen nesnadno a v malé míře svinují v klubka a ve zředěných roztocích existují spíše ve formě nataženého řetězce (obr. 11.3 a). To je způsobeno velkými odpudivými silami mezi souhlasně nabitými skupinami. Odpudivé účinky elektrostatických sil do jisté míry zeslabují protiionty vzniklé disociací. Je-li do roztoku přidán nízkomolekulární elektrolyt, stoupá iontová síla roztoku, iontová atmosféra kolem nabitých skupin se stlačuje a může se více uplatnit vliv tepelného pohybu na svinutí makromolekuly v klubko. Již malými přídavky elektrolytu se původně natažený řetězec svinuje. Obr. 11.3 Tvar lineárních polyelektrolytů v roztoku 11-2
U amfoterních makromolekul současně existují kladné a záporné náboje, které na sebe působí přitažlivými silami. Řetězec se svinuje do útvaru, jehož podoba je určena způsobem střídání nábojů podél řetězce (v případě pravidelného střídání může vzniknout šroubovice viz obr. 11.3 b). Nízkomolekulární ionty opět odstiňují vliv nabitých skupin makromolekuly na její tvar; přídavkem elektrolytu se i v tomto případě přiblíží řetězec normálnímu stupni svinutí, charakteristickému pro nenabitou makromolekulu (např. fibrilární proteiny). Při vysokých ph mají amfoterní makromolekuly disociovány jen kyselé skupiny; slabě zásadité skupiny nedisociují a makromolekula je nabita záporně. Příkladem amfoterních makromolekul mohou být bílkoviny: (NH ) R (COOH) + y OH = (NH ) R (COO ) + y H O 2 x y 2 x y 2 Naopak při nízkých ph disociují jen zásadité skupiny a náboj makromolekuly je tedy kladný; + (NH ) R (COOH) + x H O = (NH ) R (COOH) + x H O 2 x y 3 3 x + y 2 Při středních hodnotách ph disociují částečně jak kyselé tak zásadité skupiny a vznikají obojetné ionty (amfiionty) s kladnými i zápornými náboji v jedné makromolekule. Nejvhodnější podmínky pro svinutí makromolekuly do tvaru spirály jsou v okolí izoelektrického bodu, kdy je počet kladných i záporných nábojů stejný, takže celkový náboj makromolekuly je nulový: (NH + 3) m R (COO ) m Jestliže se tyto spirály složí do kompaktních útvarů, vznikají trojrozměrné globulární proteiny. Jednotlivé části řetězců uvnitř globulární makromolekuly jsou spojeny chemickými a fyzikálními vazbami. Tyto vazby jsou tak silné, že v určitém rozmezí podmínek nemohou do globulární makromolekuly proniknout molekuly vody a ani nedochází ke změně jejího tvaru. Do styku s rozpouštědlem přicházejí pouze skupiny na povrchu makromolekuly. Globulární makromolekuly se v roztoku chovají jako tuhé částice podobně jako částice lyofobních solů. 11.4 Vlastnosti roztoků makromolekul Roztoky makromolekul se stabilitou podobají pravým roztokům. Aby došlo k vyloučení další fáze, je nutno snížit vhodným zásahem rozpustnost polymeru (změnou teploty, přídavkem třetí složky špatného rozpouštědla nebo elektrolytů ve velké koncentraci, u globulárních proteinů denaturací změnou ve struktuře makromolekuly). Mnoho vlastností roztoků vysokomolekulárních látek závisí na molární hmotnosti. Její stanovení je proto důležitou součástí studia i kontroly jak přirozených tak syntetických polymerů. Difuzní koeficient makromolekul v roztocích není příliš velký (vzhledem k jejich velkým rozměrům). Měření difuzního koeficientu v kombinaci s měřením sedimentační rychlosti se využívá ke zjišťování molárních hmotnosti (např. bílkovin). K tomuto účelu se často měří také sedimentační rovnováha v dostatečně silném odstředivém poli. V gravitačním poli jsou roztoky polymerů vzhledem k malému rozdílu v hustotách rozpuštěné látky a rozpouštědla obvykle sedimentačně stálé. Osmotický tlak je měřitelný jak u roztoků vysokomolekulárních neelektrolytů i elektrolytů, jsou-li připraveny v dostatečně vysoké koncentraci. Z naměřených hodnot osmotického tlaku je možno vypočítat nejen molární hmotnost, ale i viriální koeficient, charakterizující interakce makromolekuly s rozpouštědlem. Rozptyl světla lyofilními koloidními roztoky není tak intenzivní jako u lyofobních koloidních soustav, což je mimo jiné způsobeno malým rozdílem v indexech lomu polymeru a prostředí. Výsledky měření jsou využívány jak ke stanovení molární hmotnosti tak i některých geometrických parametrů částic. Lineární molekuly polymerů nejsou viditelné v ultramikroskopu, neboť lineární makromolekuly se blíží koloidním rozměrům jen svou délkou; v dalších dvou směrech odpovídají jejich rozměry běžným molekulám. Mimo to brání pozorování makromolekul ultramikroskopem malý rozdíl v indexech lomu polymeru a prostředí, případně jejich solvatace. 11-3
Studium viskozity roztoků lineárních polymerů poskytuje informace o tvaru, velikosti a chování makromolekul v roztocích. Viskozita zředěných roztoků je tím větší, čím větší je objem makromolekulárního klubka. V dobrém rozpouštědle se makromolekula snaží přivést do styku s jeho molekulami co nejvíce řetězců, proto se více rozvine a klubko nabývá větších rozměrů. Tím ovšem stoupne viskozita roztoku. Nízká viskozita zředěného roztoku naopak svědčí o tom, že afinita polymeru k rozpouštědlu není příliš velká makromolekulární řetězec se svíjí do hustšího, menšího klubka. Viskozita koncentrovanějších roztoků je ovlivněna vznikem přechodných asociačních spojů mezi jednotlivými řetězci, takže roste rychleji než s první mocninou koncentrace. Viskozimetrická měření jsou často využívána ke stanovení molární hmotnosti jednotlivých frakcí lineárních polymerů (odst. 11.4.1). Viskozita zředěných roztoků globulárních polymerů s kulovitými částicemi se většinou řídí Einsteinovou rovnicí (7.8). Polyelektrolyty, které obsahují skupiny schopné disociace, vytvářejí při rozpouštění ve vodě elektricky nabité částice, které vykazují elektrokinetické jevy (odd. 10.3). 11.4.1 Molární hmotnost lineárních makromolekul z viskozitních měření V roztocích lineárních makromolekul jsou objemy částic, a tím i viskozita, ovlivňovány množstvím rozpouštědla zadržovaného v makromolekulárních klubkách (viz odst. 11.2), které se pohybuje spolu s klubkem. To závisí na ohebnosti řetězců makromolekuly, na afinitě polymeru k rozpouštědlu i na délce makromolekulárního řetězce. Vztah mezi viskozitou makromolekulárních roztoků a molární hmotností polymeru vyjadřuje Markova-Houwinkova rovnice [ ] = K (M rel ) a (11.1) kde [ ] je limitní viskozitní číslo, definované jako společná limita redukované a inherentní viskozity pro nekonečné zředění viz rov. (7.6), (7.7), M rel je relativní molární hmotnost polymeru*, K a a jsou konstanty charakteristické pro dvojici polymer - rozpouštědlo. Markova- Houwinkova rovnice se používá při výpočtu molární hmotnosti jednotlivých frakcí určitého polymeru z naměřené koncentrační závislosti viskozity roztoků polymeru. Hodnoty [ ] stanovíme společnou extrapolací redukované a inherentní viskozity, vypočtených z experimentálních dat, jak ukazuje obr. 11-4. Konstanty K a a je nutno určit experimentálně na základě molárních hmotností stanovených jinými metodami (např. rozptylem světla) pro frakce měřeného polymeru s co nejužším rozdělením molárních hmotností. Použití této metody je proto omezeno pouze na stanovení molárních hmotností jednotlivých frakcí téhož polymeru. U polydisperzního systému dostaneme měřením viskozity střední hodnotu molární hmotnosti, pro kterou platí vztah 1/ a M η ( Wi M i a ) (11.2) kde W i je hmotnostní zlomek frakce i, M leží mezi číselným a hmotnostním středem (viz odst. 5.4.3), M N M MW. Obr. 11-4 Extrapolace viskozitních dat * Relativní molekulová hmotnost látky (bezrozměrná) je číselně rovna molární hmotnosti s rozměrem g mol 1 11-4
11-5